Deux classes de Chloroflexi ont indépendamment évolué la capacité de persister sur l’hydrogène atmosphérique et le monoxyde de carbone

Thermomicrobium roseum régule à la hausse l’expression de l’hydrogénase et du monoxyde de carbone déshydrogénase lors d’une réponse coordonnée à la privation de nutriments

Nous avons comparé les transcriptomes de cultures triplicatées de T. roseum sous des cultures riches en nutriments (croissance exponentielle) et en nutriments – conditions limitées (phase stationnaire). Un total de 401 gènes ont été significativement régulés à la hausse et 539 gènes ont été significativement régulés à la baisse par au moins deux fois (p < 10-6) en réponse à la limitation des nutriments (Fig. 1a; Tableau S1). Trois grandes tendances ont été observées en ce qui concerne l’acquisition et l’utilisation de l’énergie. Tout d’abord, les gènes associés à des processus énergétiquement coûteux ont été régulés à la baisse, y compris ceux codant pour les protéines ribosomiques, les enzymes de biosynthèse du cytochrome c et de la ménaquinone, et l’appareil chimiotactique et flagellaire codé par le mégaplasmide (tableau S1). Deuxièmement, il y avait des preuves de mobilisation de réserves de carbone internes, y compris un complexe d’acétoïne déshydrogénase et un complexe de flavoprotéines à transfert d’électrons (ETF). Troisièmement, les profils d’expression indiquent un remodelage important de la chaîne respiratoire. Deux déshydrogénases respiratoires primaires impliquées dans la croissance hétérotrophe (NADH déshydrogénases de type I et II) ont été régulées à la baisse, tandis que les complexes impliqués dans la production d’énergie lithotrophe et une succinate déshydrogénase ont été régulés à la hausse (Fig. 1a; Tableau S1). Dans les deux conditions, les oxydases terminales qui médient la respiration aérobie étaient fortement exprimées et il n’y avait aucune preuve de l’utilisation d’autres accepteurs d’électrons; la cytochrome aa3 oxydase était exprimée dans les deux phases et la cytochrome bo3 oxydase alternative était régulée à la hausse pendant la phase stationnaire. En revanche, la F1Fo-ATPase (ATP synthase) a été régulée à la baisse, ce qui correspond à une diminution attendue de la disponibilité des donneurs d’électrons respiratoires pendant la limitation des nutriments (tableau S1).

Expression génétique différentielle de cultures riches en nutriments (phase exponentielle) et limitées en nutriments (phase stationnaire) de Thermomicrobium roseum. une parcelle de volcan montrant un changement d’expression relatif des gènes suite à une limitation des nutriments. Le changement de pli montre le rapport de l’abondance normalisée des transcriptions de trois cultures en phase stationnaire divisées par trois cultures en phase exponentielle (répliques biologiques). Chaque gène est représenté par un point gris et les gènes respiratoires sont mis en évidence selon la légende. cartes thermiques b,c de l’abondance normalisée des opérons putatifs codant pour les sous-unités structurales du groupe 1h-hydrogénase (hhyLS; b) et du monoxyde de carbone déshydrogénase de type I (coxLSM;c). Les nombres lus par kilobase million (RPKM) sont indiqués pour trois répliques biologiques en croissance exponentielle et en trois phases stationnaires. HP = protéine hypothétique. d Régulation différentielle des complexes respiratoires médiant la respiration aérobie de composés organiques et inorganiques. Les complexes sont ombrés différemment selon qu’ils sont significativement régulés à la hausse (vert), à la baisse (orange) ou inchangés (gris) dans les cultures limitées en nutriments par rapport aux cultures riches en nutriments. Les noms de gènes, le nombre de loci et les changements moyens de l’abondance du transcriptome sont indiqués pour chaque complexe. Shown are the structural subunits of type I NADH dehydrogenase (nuoA-E,H-N), type II NADH dehydrogenase (ndh), succinate dehydrogenase (sdhA-D), group 1h -hydrogenase (hhyLS), type I carbon monoxide dehydrogenase (coxLMS), heterodisulfide reductase (hdrABC), electron transfer flavoprotein (etfAB), sulfur-carrier protein (tusA), cytochrome aa3 oxidase (coxABC), cytochrome bo3 oxidase (cyoAB), and ATP synthase (atpA-H). Note that the physiological role of the highly upregulated hdrABC, etfAB, and tusA genes is yet to be experimentally validated in T. roseum

Thermomicrobium roseum régule à la hausse les gènes associés au métabolisme du H2 et du CO dans des conditions limitant les nutriments. Les gènes codant pour les sous-unités structurales d’une 1h-hydrogénase du groupe (hhyLS; trd_1878-1877), qui sont une classe d’enzymes tolérantes à l’oxygène connues pour médier l’oxydation de l’H2 atmosphérique, ont été régulés à la hausse en moyenne de 12,6 fois (Fig. 1b). Les protéines hypothétiques conservées hhaABC (trd_1876–1874;5.5 fois), codé sur le même opéron putatif que les sous-unités structurelles, ainsi qu’un opéron putatif séparé des facteurs de maturation (trd_1873–1863; 3,1 fois) (Figure S2; Tableau S1). Les sous–unités structurales (trd_1206–1208) et de maturation (trd_1209-1215) codant pour une monoxyde de carbone déshydrogénase de type I ont été régulées en moyenne de deux fois (Fig. 1c & S2) en réponse à la limitation des nutriments. Conformément aux rapports précédents d’utilisation du CO au cours de la croissance dans cet organisme, les gènes de monoxyde de carbone déshydrogénase ont été fortement exprimés dans des cultures en phase exponentielle et en phase stationnaire. (Figue. 1c; Tableau S1). Cela suggère que T. roseum utilise du CO pour compléter le carbone organique disponible pendant la croissance (mixotrophie) et la persistance. Ces résultats sont globalement similaires aux observations faites dans d’autres phyla, notamment les Actinobactéries et les protéobactéries, selon lesquelles l’expression de l’hydrogénase et du monoxyde de carbone déshydrogénase est induite par la limitation du carbone organique.

Dans l’ensemble, le différentiel le plus important dans l’expression des gènes impliquait un cluster de 19 gènes (trd_0160-0142) impliqué dans l’oxydation des composés soufrés. Le cluster contient un gène codant pour une hétérodisulfure réductase soluble putative (hdrABC), un complexe de flavoprotéines à transfert d’électrons (etfAB), trois protéines porteuses de soufre (tusA, dsrE1, dsrE2), trois protéines de liaison aux lipoates (lbpA) et diverses protéines hypothétiques, qui sont régulées en moyenne de 45 fois pendant la persistance. La plupart de ces composants ont des homologues dans un système récemment montré pour médier l’oxydation de divers composés soufrés organiques et inorganiques dans Hyphomicrobium denitrificans. Un rôle de ce cluster peut être de médier l’activation et l’oxydation de composés thiol endogènes ou exogènes. Pour ce faire, nous prédisons que le complexe Hdr catalyse la formation de liaisons disulfures entre le composé thiol et une protéine porteuse de soufre (par exemple, TusA); le complexe Hdr transfère ensuite les électrons libérés dans la chaîne respiratoire, éventuellement via le complexe ETF. À l’appui de cette notion, l’oxydation du thiol en disulfure est exergonique avec l’oxygène comme accepteur d’électrons terminaux. Bien que les complexes Hdr soient les mieux caractérisés pour leur rôle dans la réduction de l’hétérodisulfure chez les archées méthanogènes, ils ont également été étudiés chez les bactéries oxydantes et réductrices de soufre, où ils ont été prédits pour être physiologiquement réversibles. De façon constante, le complexe Hdr de T. roseum est le plus étroitement apparenté à ceux des souches Sulfobacillus, Hyphomicrobium et Acidithiobacillus oxydant le soufre. Il semble plausible que T. roseum bénéficierait d’un avantage de survie s’il pouvait exploiter des composés soufrés réduits disponibles dans les sources géothermiques. Cependant, d’autres travaux sont nécessaires pour vérifier l’activité, les substrats et le rôle physiologique de ce système.

Collectivement, ces résultats montrent que T. roseum est plus flexible métaboliquement qu’on ne le pensait auparavant. Figue. 1d illustre le remodelage prévu de la chaîne respiratoire qui se produit pendant la transition des conditions riches en nutriments aux conditions limitées en nutriments. La régulation à la hausse des enzymes impliquées dans l’exploitation des composés inorganiques, en conjonction avec la régulation à la baisse des groupes de gènes impliqués dans l’oxydation du NADH, suggère que T. le roseum a développé des mécanismes pour maintenir la respiration aérobie malgré les fluctuations des nutriments et les privations dans son environnement.

T. roseum oxyde aérobiquement H2 et CO à une large gamme de concentrations, y compris des niveaux sous-atmosphériques, pendant la persistance

Les niveaux d’expression élevés des gènes codant pour la groupe 1h-hydrogénase et la monoxyde de carbone déshydrogénase de type I suggèrent que T. roseum peut soutenir la persistance en oxydant H2 et CO atmosphériques. Pour tester cela, nous avons incubé des cultures de T limitées en nutriments. roseum dans un espace de tête d’air ambiant complété par ~ 14 ppmv de H2 ou de CO et surveillé leur consommation par chromatographie en phase gazeuse. En accord avec notre hypothèse, les cultures oxydaient aérobiquement les deux gaz dans un processus cinétique du premier ordre; en 71 h, les rapports de mélange de ces gaz (103 ppbv H2, 22 ppbv CO) étaient cinq fois inférieurs aux niveaux atmosphériques (Fig. 2 bis, b). Ceci constitue la première observation de la respiration aérobie de H2 et de l’oxydation atmosphérique de H2 au sein du phylum Chloroflexi.

Hydrogenase and carbon monoxyde déshydrogénase activity of Thermomicrobium roseum cultures during nutrient limitation. a, b Oxydation de l’hydrogène moléculaire (H2;a) et du monoxyde de carbone (CO;b) à des niveaux sous-atmosphériques par des cultures de T. roseum. Les barres d’erreur montrent les écarts types de trois répliques biologiques, avec des cellules tuées par la chaleur surveillées comme témoin négatif (lignes pointillées grises). Les rapports de mélange de H2 et de CO sont affichés sur une échelle logarithmique et les lignes pointillées montrent les rapports de mélange atmosphérique moyens de H2 (0,53 ppmv) et de CO (0,10 ppmv). c, d Paramètres cinétiques apparents de l’oxydation de H2(c) et de CO(d) par des cellules entières de T. roseum. Les courbes du meilleur ajustement et des paramètres cinétiques ont été calculées sur la base d’un modèle de régression non linéaire de Michaelis–Menten. Les valeurs calculées sur la base des graphiques Lineweaver-Burk, Hanes-Woolf et Eadie-Hofstee sont présentées dans le tableau S2. e Observation zymographique de l’activité hydrogénase et monoxyde de carbone déshydrogénase dans les lysats de cellules entières de T. roseum. Les deux premières voies montrent une échelle de protéines et des protéines entières colorées au bleu de Coomassie. Les troisième et quatrième voies montrent une activité hydrogénase et monoxyde de carbone déshydrogénase colorée avec l’accepteur d’électrons artificiel nitroblue tétrazolium dans une atmosphère riche en H2 et en CO respectivement. f Mesures ampérométriques de l’activité hydrogénase dans les cellules entières de T. roseum. Le taux d’oxydation de l’H2 a été mesuré avec une électrode à hydrogène avant et après le traitement avec les découpleurs respiratoires et les ionophores cyanure de carbonyle m-chlorophényl hydrazine (CCCP), la nigericine et la valinomycine

Les mesures cinétiques des cellules entières ont révélé que T. le roseum oxyde efficacement H2 et CO dans une large gamme de concentrations grâce à l’activité de l’hydrogénase et du monoxyde de carbone déshydrogénase. Dans les cultures, les enzymes présentent une vitesse apparente modérée (Vmax app de 376 nmol H2 et 149 nmol CO g-1 de la protéine min-1) et une affinité apparente modérée (Km app de 569 nM H2 et 285 nM CO) pour ces substrats (Fig. 2c, d; Tableau S2). En ce qui concerne le monoxyde de carbone déshydrogénase, ces observations concordent avec la capacité de l’organisme à utiliser du CO à des concentrations élevées pour la croissance et des concentrations atmosphériques pour la persistance. Les paramètres cinétiques apparents de la 1h-hydrogénase du groupe sont plus similaires à ceux décrits récemment pour les méthanotrophh Méthylacidiphilum fumariolicum verrucomicrobiens (Km = 600 nM) qu’aux hydrogénases à haute affinité et à faible activité des charognards atmosphériques précédemment décrits (Km < 50 nM). Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent que T. roseum peut tirer parti des concentrations élevées de H2 et de CO lorsqu’elles sont disponibles grâce à l’activité géothermique et survivre aux concentrations atmosphériques de ces gaz autrement.

En accord avec les activités cellulaires entières observées, les lysats cellulaires fonctionnent sur des gels de polyacrylamide natifs fortement colorés pour l’activité hydrogénase et monoxyde de carbone déshydrogénase (Fig. 2e). Le poids moléculaire des bandes principales était respectivement au poids moléculaire attendu pour un dimère de monoxyde de carbone déshydrogénase et légèrement inférieur au poids moléculaire attendu d’un dimère d’hydrogénase. Ceci est compatible avec les études biochimiques menées dans d’autres organismes qui ont montré que les monoxyde de carbone déshydrogénases de type I et les hydrogénases du groupe 1h forment des homodimères. Nous avons ensuite vérifié que l’hydrogénase était couplée à la chaîne respiratoire en mesurant l’oxydation H2 à l’aide d’une électrode H2 dans des conditions aérobies. Les cellules non traitées oxydent rapidement l’H2. Cette activité a diminué de 2,5 fois lors de l’ajout du découpleur respiratoire CCCP et a cessé lors de l’ajout de l’ionophore valinomycine, alors qu’aucun changement significatif du taux d’oxydation de l’H2 n’était observable avec le protonophore nigericin (Fig. 2f). La combinaison de ces résultats suggère que l’oxydation de l’hydrogène est étroitement couplée à la chaîne respiratoire et que cette interaction peut être liée au gradient électrique (Δψ), mais pas au gradient de pH (ΔpH), de la membrane.

Les résultats de l’analyse du transcriptome et des études d’activité suggèrent donc que T. roseum persiste par oxydation du H2 et du CO atmosphériques. Nous proposons que la groupe 1h-hydrogénase et la monoxyde de carbone déshydrogénase de type I utilisent directement des électrons dérivés de H2 et de CO atmosphériques pour soutenir la respiration aérobie (Fig. 1d). Il est probable que ces électrons soient relayés par des porteurs d’électrons dans le pool de ménaquinones et soient ensuite transférés vers les oxydases terminales. Cependant, d’autres études sont nécessaires pour confirmer comment ces protéines interagissent fonctionnellement et physiquement avec la chaîne respiratoire, y compris leur localisation et avec quels porteurs d’électrons elles interagissent. En raison de l’intractibilité génétique de la Chloroflexi et de l’absence d’inhibiteurs spécifiques de l’hydrogénase ou du monoxyde de carbone déshydrogénase, nous n’avons pas non plus pu déterminer la nécessité d’une oxydation de l’H2 ou du CO pour la survie prolongée de cet organisme. Cependant, des études antérieures ont démontré que la délétion génétique de la 1h-hydrogénase du groupe réduit la longévité des cellules de M. smegmatis et des exospores de Streptomyces avermitilis.

Le piégeage des gaz atmosphériques est potentiellement une stratégie de persistance courante au sein du Chloroflexi hétérotrophe aérobie

Ayant démontré que T. le roseum oxyde les gaz traces atmosphériques pendant la persistance, nous avons ensuite étudié s’il s’agissait d’une stratégie commune utilisée par le Chloroflexi. Nous avons d’abord analysé les capacités respiratoires de Thermogemmatispora sp. T81, un thermophile cellulolytique et sporulant hétérotrophe, que nous avons précédemment isolé des sols géothermiques de Tikitere, en Nouvelle-Zélande. L’analyse du génome de l’organisme (Identifiant d’assemblage : GCA_003268475.1) a indiqué qu’il code des composants de la chaîne respiratoire centrale similaires à T. roseum, y compris les déshydrogénases primaires (nuo, ndh, sdh), les oxydases terminales (cox, cyo) et l’ATP synthase (atp). Le génome code également des opérons putatifs pour les sous-unités structurales d’une hydrogénase du groupe 1h, les facteurs de maturation de cette hydrogénase et les sous-unités structurales d’une monoxyde de carbone déshydrogénase de type I (Figure S3). Cependant, les homologues des complexes putatifs d’hétérodisulfure réductase et d’ETF codés par T. roseum sont absents de la Thermogemmatispora sp. Génome T81.

Nous avons vérifié que les cultures sporulantes de Thermogemmatispora sp. T81 consomme activement H2 et CO. L’organisme a lentement oxydé le H2 et le CO disponibles dans l’espace de tête à des niveaux sous-atmosphériques (120 ppbv H2, 70 ppbv CO) pendant environ 320 h (Fig. 3 bis, b). Bien qu’il ait été précédemment démontré que cette souche oxydait le monoxyde de carbone, c’est la première observation qu’elle peut le faire à des concentrations sous-atmosphériques et pendant la persistance. Ces résultats suggèrent que, malgré leurs histoires évolutives distinctes et leurs niches écologiques, Thermogemmatispora sp. T81 et T. roseum ont tous deux développé des stratégies métaboliques similaires pour survivre à la limitation des nutriments.

Activité hydrogénase et monoxyde de carbone déshydrogénase de Thermogemmatispora sp. T81 pendant la sporulation. Oxydation de l’hydrogène moléculaire (H2;a) et du monoxyde de carbone (CO;b) à des niveaux sous-atmosphériques par Thermogemmatispora sp. T81 cultures. Les barres d’erreur montrent les écarts types de trois répliques biologiques, avec des cellules tuées par la chaleur surveillées comme témoin négatif (lignes pointillées grises). Les rapports de mélange de H2 et de CO sont affichés sur une échelle logarithmique et les lignes pointillées montrent les rapports de mélange atmosphérique moyens de H2 (0,53 ppmv) et de CO (0.10 ppv)

L’analyse de la distribution des hydrogénases et du monoxyde de carbone déshydrogénases dans les génomes de référence accessibles au public a montré que la capacité génétique de piéger les gaz à l’état de traces est un trait commun chez les Chloroflexi aérobies. Plus précisément, les hydrogénases du groupe 1h et les monoxyde de carbone déshydrogénases de type I ont été codées dans trois des quatre génomes de référence au sein des Thermomicrobiennes (classe Chloroflexia) et quatre des cinq génomes de référence au sein des Ktedonobactéries (classe Ktedonobactéries) (Fig. 4 bis, b). Ce dernier comprend les génomes de la bactérie hétérotrophe du sol Ktedonobacter racemifer et de l’isolat de bioréacteur oxydant les nitrites Nitrolancea hollandica. De plus, sept souches de l’ordre photosynthétique des Chloroflexales ont codé les groupes 1f et/ou 2a-hydrogénases (Figure S4). Il a été démontré que ces classes d’hydrogénases sont médiatrices de l’oxydation aérobie de l’H2 chez diverses bactéries, y compris à des concentrations sous-atmosphériques chez Acidobacterium ailaaui et M. smegmatis respectivement. De plus, une étude du métatranscriptome a révélé que les homologues du groupe 1f-hydrogénase des espèces de Roseiflexus sont fortement exprimés dans les tapis microbiens géothermiques la nuit. Par conséquent, il est probable que les traits de la respiration aérobie H2 et éventuellement de l’oxydation atmosphérique H2 s’étendent aux souches photosynthétiques de ce phylum. Une gamme de génomes assemblés par métagénome, y compris de la classe candidate abondante Ellin6529, ont également codé des gènes pour l’oxydation aérobie du H2 et du CO (Figure S4 & S5). Conformément aux rapports précédents, les Dehalococcoidies codent pour les hydrogénases du groupe 1a connues pour faciliter la dehalorespiration.

Histoire évolutive du groupe 1h-hydrogénase et du monoxyde de carbone déshydrogénase de type I. Arbres phylogénétiques montrant la distribution et l’histoire évolutive des (grandes) sous-unités catalytiques du groupe 1h-hydrogénase (hhyL;a) et du monoxyde de carbone déshydrogénase de type I (coxL;b) dans le phylum Chloroflexi. Les séquences de Chloroflexi (marquées par classe) sont indiquées en gras par rapport aux séquences de référence (marquées par phylum). Les arbres ont été construits à l’aide de séquences d’acides aminés selon la méthode du maximum de vraisemblance (lacunes traitées avec délétion partielle) et ont été amorcés avec 100 répliques. Les arbres étaient respectivement enracinés avec des séquences de groupe 1g-hydrogénase (WP_011761956.1, WP_048100713.1) et des séquences de monoxyde de carbone déshydrogénase de type II (WP_011388721.1, WP_012893108.1). La distribution des autres hydrogénases d’absorption respiratoire dans les génomes et les génomes assemblés par métagénome (MAG) du phylum Chloroflexi est illustrée à la figure S4. La distribution des monoxyde de carbone déshydrogénases de type I dans les génomes assemblés par métagénome (MAG) du phylum Chloroflexi est illustrée à la figure S5

Nos analyses suggèrent que la capacité d’oxydation atmosphérique du H2 et du CO peut avoir évolué à deux ou plusieurs reprises dans le Chloroflexi. Les arbres phylogénétiques montrent que les groupes 1h-hydrogénases de la Chloroflexie et des Ktédonobactéries sont divergents et se divisent en deux branches distinctes, solidement soutenues (Fig. 4 bis). Il est donc plus probable que la Chloroflexie et les Ktédonobactéries aient acquis indépendamment ces enzymes, par exemple à la suite d’événements de transfert de gènes horizontaux d’autres Terrabactéries, plutôt que de les hériter verticalement d’un ancêtre commun. L’analyse phylogénétique suggère également que le monoxyde de carbone déshydrogénase de type I peut également avoir été acquis à deux ou trois reprises dans ce phylum (Fig. 4b). Conformément à leur acquisition indépendante probable, les opérons putatifs codant pour l’hydrogénase et le monoxyde de carbone déshydrogénase chez T. roseum (Figure S2) et Thermogemmatispora sp. T81 (figure S3) sont nettement organisés. Par exemple, les facteurs structurels et accessoires de la monoxyde de carbone déshydrogénase sont codés dans un seul opéron putatif dans Thermogemmatispora sp. T81 (coxMSLIG), mais sont séparés en un opéron structurel (coxGSLM) et un opéron accessoire (y compris coxG et coxE) chez T. roseum. Ces résultats concordent avec les déductions antérieures de dissémination horizontale des gènes hhyL et coxL et suggèrent qu’il existe une forte pression sélective pour l’acquisition d’enzymes métaboliques qui favorisent la persistance. Cependant, d’autres explications à leurs observations ne peuvent être exclues et une analyse plus approfondie est nécessaire pour démêler les histoires évolutives complexes des hydrogénases et du monoxyde de carbone déshydrogénases.

Importance écologique et biogéochimique de la flexibilité métabolique et de l’oxydation des gaz traces dans le Chloroflexi

Les bactéries hétérotrophes aérobies du phylum Chloroflexi sont plus polyvalentes sur le plan métabolique qu’on ne le pensait auparavant. Les analyses du transcriptome montrent clairement que T. roseum régule son métabolisme en réponse à la limitation des nutriments, permettant la persistance sur une combinaison de composés inorganiques exogènes et de réserves de carbone probablement endogènes. À l’appui de cela, des mesures par chromatographie en phase gazeuse ont montré que la bactérie oxyde efficacement H2 et CO jusqu’à des concentrations sous-atmosphériques pendant la persistance par un processus respiratoire aérobie. Nous avons fait des résultats similaires pour l’isolat ktedonobactérien Thermogemmatispora sp. T81, suggérant que le piégeage des gaz à l’état de traces pourrait être une stratégie de persistance courante utilisée par le Chloroflexi aérobie. Les analyses de la phylogénie de la séquence primaire et de la structure des opérons indiquent que les h-hydrogénases du groupe 1 et le monoxyde de carbone déshydrogénases au sein de ces organismes appartiennent à des clades différents et sont relativement divergents. Par conséquent, il est probable que ces organismes aient acquis horizontalement la capacité d’oxyder le H2 et le CO atmosphériques par des événements distincts, bien que d’autres explications soient possibles. La convergence apparente des stratégies de persistance est remarquable compte tenu des histoires évolutives distinctes, des morphologies de persistance (c’est-à-dire de la sporulation chez T81) et des niches écologiques de ces bactéries. Le généralisme des ressources est donc probablement une stratégie écologique commune pour la survie du Chloroflexi dans des environnements où le carbone organique et d’autres nutriments peuvent être périodiquement rares.

Plus largement, ces résultats fournissent un support pur de culture pour l’hypothèse que le monoxyde de carbone atmosphérique sert de source d’énergie pour la persistance. Nos résultats suggèrent que l’expression et l’activité du monoxyde de carbone déshydrogénase sont liées à la persistance, et fournissent des preuves que le CO atmosphérique peut servir de donneur d’électrons pour la chaîne respiratoire aérobie dans cette condition. En effet, comme pour le H2 atmosphérique, le CO atmosphérique est susceptible d’être une source d’énergie fiable pour la survie microbienne compte tenu de son ubiquité, de sa diffusibilité et de sa densité d’énergie. En intégrant ces résultats à la littérature plus large, il est probable que l’oxydation du CO atmosphérique est une stratégie générale soutenant la survie à long terme des bactéries hétérotrophes aérobies. En effet, on a précédemment déduit que diverses bactéries hétérotrophes étaient capables d’oxyder le CO atmosphérique, notamment des protéobactéries, des Actinobactéries et une souche de Thermogemmatispora. De plus, d’autres ensembles de données ont montré que l’expression du monoxyde de carbone déshydrogénase est activée lors de la limitation des nutriments chez d’autres organismes aérobies. Cependant, contrairement au H2 atmosphérique, il reste à valider par des études génétiques et biochimiques que l’oxydation du CO atmosphérique peut améliorer la survie des bactéries pendant la persistance. Conformément aux mesures antérieures basées sur l’activité, l’analyse du transcriptome montre que T. roseum exprime le monoxyde de carbone déshydrogénase à des niveaux élevés pendant la croissance. Contrairement aux carboxydotrophes tels que les Oligotropha carboxidovorans, T. le roseum en tant que carboxydovore ne peut pas croître chimiolithoautotrophiquement et semble plutôt utiliser le CO comme source d’énergie supplémentaire pendant la croissance hétérotrophe. La large gamme cinétique du monoxyde de carbone déshydrogénase de T. roseum dans des cellules entières permet probablement à cet isolat de persister sur le CO atmosphérique disponible de manière ubiquitaire et de croître de manière mixotrophe dans des microenvironnements où le CO est disponible à des concentrations élevées (jusqu’à 6000 ppmv) par l’activité géothermique.

Enfin, cette étude établit que Chloroflexi est le troisième phylum montré expérimentalement pour piéger le H2 atmosphérique, après les Actinobactéries et les Acidobactéries. Les résultats présentés ici sont similaires à ceux rapportés précédemment pour les actinobacterium Mycobacterium smegmatis et acidobacterium Pyrinomonas methylaliphatogenes, qui passent également de la respiration hétérotrophe à l’oxydation atmosphérique du H2 en réponse à la limitation de l’énergie, y compris par l’expression des hydrogénases du groupe 1h. Étant donné au moins quatre autres phyla cultivés (Fig. 4a) et deux phyla candidats codent également des hydrogénases du groupe 1h, il semble de plus en plus probable que l’H2 atmosphérique serve de source d’énergie générale pour les bactéries hétérotrophes aérobies. Cette observation est également potentiellement biogéochimiquement significative, étant donné que les bactéries aérobies du sol sont connues pour être le principal puits du cycle global de l’hydrogène. Cependant, d’autres travaux sont nécessaires pour vérifier si ces principes s’étendent aux espèces de Chloroflexi encore énigmatiques vivant dans des environnements de sol mésophiles.